为什么现在很难推广和部署5G毫米波?

在射频(毫米波频段)特性非常重要的几个参数中，基于SiCMOS或GeSiBiCMOS的ADP2300AUJZ-R7毫米波芯片相对于化合物基毫米波芯片没有优势：例如，接收链接的噪声系数和线形动态范围，发送链接的输出功率和效率，以及频率源的相位噪声等。

移动通信经历了几十年和五代的发展，给社会带来了巨大的变化，融入了人们生活的每一个细节。如今，第五代移动通信(5G)已经在世界主要国家广泛部署，逐渐成为人们生活中的关键通信方式。在5G的部署方案中，第一个在毫米波频段工作的新方案、5G毫米波通信方案与Sub-6G的或2G～4G的部署方案有明显的不同特点:一是毫米波通信链路采用全新的硬件结构；二是毫米波的应用是基于处理新的通信瓶颈或满足新的需求。

关于Sub-6G的部署方案，众所周知，基于算法优化的通信算法已经接近浓醇定律标志的极限；可用频段非常有限，通信行业甚至采用退网2G、3G、4G便于以5G通信频段的形式扩大Sub-6G通信容量；采用数据波束赋形算法来提高系统容量需要付出足够强大的算率资源和能源，企业比特成本效益和能耗效益的提高与4G相比非常有限。Sub-6G计划已经遇到了无法克服的科学瓶颈和工程瓶颈。业内科学家、研究机构和工业公司将注意力集中在6GHz以上频段，积极获取频段授权，进行产业基本布局。

与Sub-6G的部署规模相比，5G通信部署网络中存在的新毫米波频段(FR2)通信方案在一些国家已经产业化，但仍然特别小。与Sub-6G通信网络相比，5G毫米波通信网络具有几个新的特点:更高的容量和速度；更低的延迟；可以构建绝对安全的物理信道；更高的理论单比特成本效益和能耗效益；精确的物理定位和多用途认知应用；数十倍以上的可应用带宽(融合波束赋形等技术。与Sub-6G相比，毫米波载波系统可以突破数千倍的大容量。

5G毫米波通信部署难题及待解决问题

为什么现在5G毫米波的推广和部署比较困难？了解到我国优先部署技术规范相对成熟、具有行业独立基础的Sub-6G网络，虽然毫米波部署网络现在已经开始发放商业车牌，但进度相对较慢；毫米波元器件行业相对发达。欧美、日韩现在已经开始产业化毫米波网络，但相对比例不到5G部署总数的1/2。不难推断，5G毫米波网络部署面临着一个难题，那就是现在部署的毫米波网络和理想的毫米波网络有着显著的区别或者需要提升使用体验。

简单分析一下目前部署的毫米波网络的大致情况:5G毫米波移动终端通常采用高通公司的5G套片方案，行业内其他几家主要通信设备企业相继推出了适用毫米波通信的基带芯片，但在毫米波通信终端的AIP模块上仍在不断完善和完善，努力探索新的方案；在5G基站行业，世界各大企业都推出了商业mm波基站方案，主要采用256～1024相控阵单元有源天线阵列，而Si CMOS和GeSi BiCMOS器件生产工艺多用于毫米波链接的射频元件，具有典型的射频、数模混合集成电路的特点。在射频(毫米波频段)特性非常重要的几个参数中，基于Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片相对于化合物基毫米波芯片没有优势：例如，接收链接的噪声系数和线形动态范围，发送链接的输出功率和效率，以及频率源的相位噪声等。

图：25G毫米波链接辐射示意图

在无线通信中，通信设备的硬件性能可以用几个关键参数来衡量:信号覆盖范围、信道误码率和信号连接稳定性。信号覆盖范围或信号辐射间距由信号发送端的发射功率和接收端链接的接收灵敏度和通过传播消耗决定。举一个典型的例子来说明，在传输距离不变、发送端和接收端天线增益不变的前提下，接收链接的噪声系数降低了3dB，相应的发送端发射功率可以降低3dB左右。假定基站发射天线的能耗效率不变，选择化合物芯片的终端可以使基站发射天线的能耗降低一半左右。因此，当计算数百万或数千万的基站布局数量时，能耗减少一半的优势显著体现在节能和减少能源需求方面，基站设备的供电设备和设备的成本压力也将大大提高。当前，行业各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片单通道输出功率为10～20 dBm，接收噪声4.5～6.5dB,(在TR集成下，Si/GeSi基芯片发射与接收性能难以兼顾，)大多采用256～1024单元阵列规模，毫米波通信基站有源阵列天线性能的提高需更大规模数量的芯片和天线单元，实际表现为设备性能提升比率将逐步降低，而成本提升比率将逐步提高。同时，大尺寸天线或AAU设备在部署和维护方面的成本相对较高，从而导致外观美化、设备稳定性明显下降。

此外，选择Si/GeSi基毫米波芯片的mm波基站天线阵型必须有数百个天线阵型，以便获得更高的天线阵列增益；但从另一个角度来看，这种体积的天线阵列的辐射波束角度相对狭窄，在基站布局覆盖范围约50-300米的范围内，每个波束覆盖的有效区域特别小。基站和用户之间确定过程(波束对准和身份验证)需要很长时间，相应的链接稳定性会随着客户移动速度的提高而迅速下降，毫米波通信的速度优势难以发挥。

如果毫米波芯片能提高发射功率，降低接收噪声系数，那么mm波基站的辐射效率和基站与用户之间的连接稳定性就会大大提高，同时也有利于节能降耗。

它代表了GaAs/GaN毫米波芯片的高性能特性，几乎可以满足设备性能的理想预期，但目前行业化合物基毫米波芯片的规格和成本领域无法接受的门槛。例如，如果使用SiCMOS或GeSiBiCMOS技术，完全适用于波束赋性接收前(包括：接收开关、功率放大器、低噪声放大器、幅相控制器)，如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工艺，大概尺寸可以做到1.5～5.0 mm?,而采用化合物工艺的尺寸大约在8～30 mm?(在此，我们先忽略尺寸与性能的关系);另外，Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相对化合物工艺有着显著的优势;再者，单位成本角度看，化合物芯片的单位成本是Si或GeSi的数倍。从毫米波天线阵列的角度看，如果我们简单的进行一下思考一下:一个接收链接对应一个天线单元，那么毫米波芯片必须满足天线在毫米波阵列中的间隔需求。例如，5G通信中使用的中心频率为26GHz，半波长的天线间隔约为5.5。um,现有的商业化合物芯片在规格上难以满足或不能满足(瓦片式方案)的要求。总的来说，毫米波通信中使用的元器件的突破或选择方案目前在Si或GeSi技术的芯片方案中得到了广泛的应用，这表明了行业先做后改进的想法。大多数毫米波芯片都在不断寻找改进方案。但是从根本上说，半导体器件决定了相应毫米波芯片特性的上限，电路可以提高性能，但是比较有限。

从现实的角度来看，该领域倾向于选择目前可行的Si或GeSi基工艺方案作为主流商业方案，即主流基站方案选择性能优异的GeSi基BiCMOS工艺路线，移动终端选择Si基CMOS工艺路线。但遗憾的是，目前已部署的5Gmm波网络体验需要提升，部署成本必须降低。与Sub-6G方案相比，经济效益并没有体现理论上应该具备的优势。如果选择Si或GeSi基方案继续前进，在使用体验上会充满阻力，面临经济效益指标的压力。

5G选择阵列性能芯片网络

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